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[分享]基于异常零件温度上升的单串升压式LED控制IC应用 [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 使用道具 楼主  发表于: 2013-07-10
随着环保意识的抬头及日益严苛的节能要求,在消费型产品Notebook,Monitor 以及TV…等等的背光源应用LED 已逐渐取代冷阴极灯管CCFL的应用。因为LED具有发光效率高耗电量少,寿命长,环保无汞,导通电压低安全性高.. 等等优点。在照明方面,高亮度发光二极管(LED)的功效提升已经超过白炽灯,并且能够与线性荧光灯相媲美,且LED多彩化和可以调光的特性,可为照明空间营造特殊氛围,因而备受市场喜爱,LED取代荧光灯管已是未来的趋势。在消费型产品面板的背光源方面,面板依产品的应用不同,面板尺寸也不一样,不同的面板尺寸所需要的LED颗数都不相同,所以面板的背光源线路的设计会随着LED电压电流的大小,LED颗数的不同及LED灯条的结构,而有所不同。然而最终的目的都是希望能以最精简的线路,最低价格,有最佳的特性。LED面板据灯条数目的不同,LED灯条电压电流的不同,需要选择最适当的LED 控制器应用电路,才能达到最佳的性能。面板背光源以4个灯条为比较常用的规格,所以用一颗SOP 16 包装4通道升压式LED 控制IC来驱动4个灯条看起来应该是不错的解决方案,如果考虑灯条彼此LED顺向导通电压的差异,所导致的消耗功率所产生热的问题,或者在LED颗粒损坏短路,造成灯条彼此LED两端电压的不同,所以有损坏的灯条所需的顺向导通电压会变低,因而会造成异常的零件温度上升,如果希望能解决因为彼此灯条顺向导通电压不同所产生温度的问题,SOP 8 包装1通道升压式LED 控制IC的设计,可以有效解决这一类的问题。本文将探讨一些多通道并联应用的特性,并介绍更易于使用、所需外部组件更少、特性更好、成本更低且具有更高效率的代替方案。 Ku3/xcu:My  
Q(0eq_X|6  
下图是一个DC-DC 转换器产生一个直流的输出电压提供给4信道LED灯条的线路应用,每一个LED灯条都连接到IC 内部MOS的Drain 端,为了降低开关本身功率的损耗,Drain端的电压准位越小越好。LED 顺向导通电压一般为2.8V ~ 3.4V,若每条LED灯条为10颗LED串接时,每条LED灯条电压的范围为28V ~34V,再加上MOS Drain端对地的电压为0.5V,所以每一个LED灯条的输出总电压范围为28.5V ~34.5V,为了要让每一个LED灯条都能够导通,DC-DC转换器的输出电压势必要输出一个最大电压34.5V,才能确保每一个LED灯条都能导通,对于导通电压只需28.5V的灯条而言,多出来的电压为34.5V减掉28.5V,所以会有多出来的6V的电压反应在MOS的Drain端,以100mA LED 电流来计算,就有0.6W的功率损耗反应在这颗MOS组件上,就要去处理功耗所导致热的问题。 S)L(~ N1  
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图一: 4通道升压式LED 控制IC线路架构 ~P5;k_&  
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只看该作者 沙发  发表于: 2013-07-10
VlFhfOR6t  
另外一个需要注意的是,当其中一串LED灯条中如果有LED因为老化或其他原因导致LED损坏短路的话,则该串LED灯条的LED导通电压变低,而DC-DC 转换器产生的直流输出电压因为其他LED灯条的导通电压不变,所以有损坏的LED灯条,会在MOS的Drain端有较多的跨压在上面。如图二所示,2颗LED短路发生时,有2个LED顺向导通电压降的电压反应在MOS的Drain端,就会有多余功率损耗反应在MOS组件上,导致MOS组件热的问题。 ,7os3~Mk9  
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图二: 4通道升压式LED 控制发生2颗LED短路的线路架构
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下图是LED电流、顺向导通电压的温度特性曲线。LED的顺向导通电压VF跟流过LED的电流成正比,LED电流越大,LED的顺向导通电压VF就越大。LED的顺向导通电压VF跟温度成反比,LED温度越高,LED的顺向导通电压VF反而越小。所以以LED灯条当作输出的背光源及照明应用,都需要考虑到此一LED的特性,特别是输出过电压保护的设计,因为LED灯条输出不是一个固定电压,所以需要特别小心,不当的设计会导致在某些条件造成无法开机的问题。 JrGY`6##p  
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图三、温度特性曲线
 
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只看该作者 板凳  发表于: 2013-07-10
j(*ZPo>o D  
另外一个需要注意的是,当其中一串LED灯条中如果有LED因为老化或其他原因导致LED损坏短路的话,则该串LED灯条的LED导通电压变低,而DC-DC 转换器产生的直流输出电压因为其他LED灯条的导通电压不变,所以有损坏的LED灯条,会在MOS的Drain端有较多的跨压在上面。如图二所示,2颗LED短路发生时,有2个LED顺向导通电压降的电压反应在MOS的Drain端,就会有多余功率损耗反应在MOS组件上,导致MOS组件热的问题。 j$TTLFK1  
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图二: 4通道升压式LED 控制发生2颗LED短路的线路架构
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下图是LED电流、顺向导通电压的温度特性曲线。LED的顺向导通电压VF跟流过LED的电流成正比,LED电流越大,LED的顺向导通电压VF就越大。LED的顺向导通电压VF跟温度成反比,LED温度越高,LED的顺向导通电压VF反而越小。所以以LED灯条当作输出的背光源及照明应用,都需要考虑到此一LED的特性,特别是输出过电压保护的设计,因为LED灯条输出不是一个固定电压,所以需要特别小心,不当的设计会导致在某些条件造成无法开机的问题。
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图三、温度特性曲线
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只看该作者 地板  发表于: 2013-07-10
5 L-6@@/  
鉴于LED多串并联应用,须考虑到每一串LED顺向导通电压VF的分布问题,所以LD5861提供另一种选择方案,单串LED升压转换器应用。单串LED应用,输出电压会随着LED颗数增加,LED的总输出电压也会增加。LD5861是一异步电流侦测模式的升压控制器,9V到28V宽广的输入电压范围,IC可以工作的责任周期(duty cycle)可达90%左右,可以符合LED照明应用跟LED背光应用的需求。由于是一组升压转换器驱动一组LED灯条输出,所以不用考虑因为LED灯条彼此顺向导通电压的差异所造成温度的问题,LED电流的设定为从FB脚位连接一个电阻到地,FB 电压为0.3V±2%,若电阻为1奥姆,则LED电流范围为294mA ~ 306mA,电流精确度高。考虑到单串高压LED的应用,LD5861在DRV pin 产生一个14V用来驱动MOS的匝极电压,可以有效地降低MOS的零件温度。图四为一单串LED升压转换器在照明应用不需要PWM调光的简单应用线路,同时集合所有LED应用的保护线路在一个SOP 8的包装里提供一个最精简的应用线路。 1z@ ncqe  
RVpo,;:  
图四: 单串LED升压转换器没有PWM调光的线路架构
CZ(fP86e  
在LED 背光的应用,需要PWM 调光来控制面板的亮度变化,图五是单串LED升压转换器在背光的应用外接PWM调光的控制线路,在LED串的路径上串接一个MOS开关组件Q2PWM控制信号除了提供给DIM Pin 当IC的控制开关外,也提供给MOS开关组件Q2的闸极当驱动信号来控制开关的导通和截止,来达到PWM调光的功能,因为PWM控制信号同时提供给LD5861 DIM 脚位来控制升压MOS开关Q1的导通和截止,所以在MOS开关组件Q2截止时,升压MOS开关Q1是同步截止,可以避免升压线路发生过电压的风险。 <V#]3$(S  
vnX~OVz2  
图五: 单串LED升压转换器有PWM调光的线路架构
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只看该作者 4楼 发表于: 2013-07-10
LD5861保护功能为LED灯串开路保护及LED 灯串短路保护,过温度保护OTP,过电流保护OCP,输出端回授路径开路及输出端过电压保护,线路零件二极管Diode 开路及短路保护,输出端短路与电感短路保护,集合所有LED应用的保护线路在SOP 8的包装里,确保系统可靠性。 \m3;<A/3n  
LED灯串开路保护: /$ -^k[%  
当单串LED开路时,输出电压会冲高直到OVP Pin电压达到2.5V,DRV立刻停止Switching, 所以输出电压会慢慢往下降,直到OVP pin电压降至1.5V时,DRV才会试着重新启动Switching去侦测LED灯串开路现象是否排除,如果开路现象排除,即可回复正常工作状态。 Fo=hL  
动作流程图及时序图如下: h@5mVTb}i  
L8&$o2+07r  
zHI_U\"8D  
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只看该作者 5楼 发表于: 2013-07-10
LED灯串短路保护: b%oma{I=.c  
(1)正常工作时LED灯串短路 66|lQE&n  
当LED灯串发生数颗LED短路时,在LED短路瞬间,对应的FB pin会有突波电压瞬间弹起。当FB pin弹起来的突波电压超过到0.6V 时,DRV会立刻停止Switching,直到FB pin电压降至0.4V时,DRV从新启动Switching。 "Q/3]hc.  
动作流程图及时序图如下: 'R'>`?Nh  
+?.,pqn<=  
5=?&q 'i  
hCDI;'ls  
@i`gR%  
(2)正常工作时LED灯串全部短路
t]` 2f3UO  
S :}s|![p  
图六: 单串LED升压转换器所有LED短路的线路说明
va<+)b\  
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只看该作者 6楼 发表于: 2013-07-10
`*yAiv>  
当全部的LED发生短路时,对应FB pin电压会迅速上升。当FB pin上的电压上升到2.5V时, DRV立刻停止Switching,并且将DIM pin pull low,此时LED灯串上的开关Q2 MOS会不导通, 可以保护开关Q2 MOS与对地电阻不会损毁。通过DIM pin time-out (DIM=0V持续200ms 以上),系统关闭可以解除该狀态。  AmcC:5  
动作流程图及时序图如下: _ 08];M|  
\.<KA  
<o0~H  
芯片OTP保护: _%ZP{5D>  
LD5861包含过温保护线路,当芯片温度高于150°C(典型值)时,OTP保护动作,IC进入休息狀态。当芯片温度低于120°C(典型值)时,IC会被重新启动。
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只看该作者 7楼 发表于: 2013-07-10
OCP保护: /:6Wzj  
LD5861具有cycle by cycle OCP功能,当CS pin上电压峰值达到0.5V(典型值)时, DRV占空比会被钳制住,可以保护开关组件NMOS及防止电感L发生饱和现象。 m+{K^kr[  
输出开路保护: B()/.w?A  
当正常工作输出开路时,透过OVP实现保护,动作机制与LED灯串全部开路相同。 o 47r<>t  
输出Diode开路启动保护: y~ G.V,0  
当输出Diode开路后启动系统,LD5861会先侦测OVP pin电压,当OVP pin电压<0.2V 时,DRV 停止动作,IC处于休息模式,直到Diode接回,OVP pin电压>0.2V,IC 便可正常工作。 { 74mf'IW  
动作流程图及时序图如下: Sx*oo{Kk%  
x 5dWBGH  
T9 <2A1  
输出短路/输出电感短路/输出Diode短路保护: 5#3W5z  
当正常工作下发生输出短路、输出电感短路或输出Diode短路时,可以透过CS pin上电压峰值大于1V(典型值)时,DRV立刻停止Switching,此时系统会被钳制住在休息模式以避免输出Diode或Inductor烧坏。通过DIM pin time-out (DIM=0V持续200ms以上), 系统关闭可以解除该狀态。 <J(sR  
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只看该作者 8楼 发表于: 2013-07-10
 h(N 9RJ}  
动作流程图如下: V?L$ ys  
E[htB><  
?3E_KGI  
"!_ 4%z-  
g:3'x/a1  
pQ-^T.'  
结论 gBiQIhz  
不论在LED照明应用方面或是在消费型产品Notebook,Monitor 以及TV的背光源应用方面,LED顺向导通电压VF的分布所造成热的棘手问题,一直困扰着系统的设计工程师,在有限的空间里想要顺利的解决零件热的问题,除了增加散热片外,LD5861 1个LED通道的应用,可以有效解决此问题,再配合完整且全面LED 系统应用保护,提供用户另外一种选择的LED 驱动的解决方案。
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